极44按照所期望的运动图案(例如，圆形图案76)移动而 沉积。送丝速度和导电嘴到工件距离(CTWD)参数可在本文中被定义为相对于焊炬24的轴线 57的轴向运动，而电极44在垂直于焊炬24的轴线的平面中的运动可被称为径向运动。电极 44的径向运动可包括按照图案（例如，圆形图案76)在垂直于焊炬24的轴线的平面中的运 动，以及电极44在垂直于焊炬24的轴线的平面中的旋转（例如，自旋）运动。在一些实施例 中，可与电极44的轴向运动无关地控制径向运动。因此，电极44的沉积速率可基本上与电极 44的径向运动无关。例如，焊接系统10可经由在轴向方向不收缩电极的情况下控制电极的 径向运动，来控制施加至接头的热量和/或填充材料。如可理解的，电极在轴向方向的收缩 可影响填充材料的沉积速率。
[0056]在本技术中可以变化的参数可包括多个因素，例如，电极的径向运动速率，以及电 极围绕正常位置或中心位置的运动程度。具体地，尽管本发明当然不限于圆形图案，但是在 已经使用圆形图案的情况下，据信可需要径向运动速率为大约50Hz并且扩展到100Hz至 120Hz以及更高的径向运动速率，从而产生更平坦的焊道和更高的沉积速率。在一些实施例 中，电极44可圆周地移动(例如，自旋），与此同时径向地(例如，按照圆形图案)移动。从移动 中的电极44过渡的熔融球可具有切线速度，这是因为径向电极运动使熔融球在除了位于熔 融球从电极44脱离的位置正下方的位置以外的位置处与工件界面接触。如本文所描述，可 控制电极44的径向运动速率，以使得所述球沉积在工件、接头和/或焊接熔池上的期望的位 置处。对于小于大约150Hz的径向运动速率，源自径向运动的球上的离心力可使得能够基本 上一致的控制球的沉积位置。
[0057] 通常，电极44的径向运动速率可大于约2.5Hz，大于约3.0Hz，大于约3.5Hz，大于约 4.0Hz，大于约4.5Hz，或者大于约5.0Hz。在一些实施例中，电极44的径向运动速率可以在约 5Hz至200Hz之间，在约10Hz至150Hz之间，在约30Hz至100Hz之间，或在约50Hz至90Hz之间。 应指出的是，电极44的相对较高的径向运动速率是通过仅振荡焊炬24的某些部分，而非整 个焊炬24而实现的。例如，如图3中所示出的，在某些实施例中，运动控制组件62可引起仅接 触元件60和电极44的振荡。用这样的方式，降低的惯性的需要有助于电极44的相对较高的 径向运动速率。
[0058]径向运动速率可至少部分地基于保护气体、焊丝直径、焊丝材料、工件材料、焊接 工艺、运动图案，或者恪融电极球的表面张力，或者它们的任意组合。径向运动速率的范围 可对应于某些类型的过渡工艺和/或运动图案。例如，SAW焊接工艺的径向运动速率可小于 (例如，5Hz至30Hz)MIG焊接工艺的径向运动速率，MIG焊接工艺可利用在约50Hz至100Hz之 间的径向运动速率。在一些实施例中，8字形或者圆形的运动图案相较于之字形运动图案可 具有降低的径向运动速率。此外，当前所设想的径向运动直径的量级为约1 .〇_至1.5_，但 是更高的直径例如量级为约4.0mm也可以是期望的。还可能需要提供与气体流动同步或者 协调的电极运动。这些各种参数可帮助透入基体材料、电极材料的沉积、维持电弧，以及其 它焊接参数。
[0059] 还据信焊池在金属芯电极运动时可以更好地移动，这可能是由于电极端头处形成 的熔融球或喷射液上受到的机械力（例如，离心力）。所述工艺因此相比先前工艺可以以更 低的温度运行。在某些类型的工件和工件冶金性能上，特别是电镀工件上，也可以获得增强 的有益效果。此外，所述工艺可以允许较便宜的保护气体，例如，C0 2(而不是氩气混合气体） 目前与此类焊接电极一起使用。如先前所论述，实心焊丝和药芯焊丝也可以与本技术一起 使用，并且各自可给所述工艺带来其自身优势。
[0060] 图9示出了将金属芯焊接电极的运动与来自电极端头的材料的被迫过渡相关的示 例性时序图。在图9的图形中，电极端头运动随时间的变化由轨迹102指示，而被迫过渡由轨 迹104指示。在圆形运动图案中，从前进的焊道或焊池的任何特定点或接头的任何特定位置 来看，将可以预计到大致正弦运动。在此运动的点106处，电极的护套可以最靠近工件的基 体材料的侧面。焊接工艺可经调适，例如通过控制脉冲焊接方法或者控制恒压焊接方法期 间的电流，以在一般如附图标记108所示的这些位置处迫使或加强来自电极的材料的过渡。 这些时期通常周期性地发生，如时期110所示。如上所述可以设想这些和许多其他控制方法 来协调过渡模式和金属芯焊接电极的运动，特别是利用仅使用电极护套的电弧建立。如先 前所论述，其应当被视为是说明性实例，因为除金属芯焊丝之外，本技术还可以与实心焊丝 以及药芯焊丝一起使用。
[0061] 电极44的径向运动可以与材料从电极端头的被迫过渡同步，以使得能够沿着相对 于接头期望的图案在一个或多个特定点处过渡材料。材料的被迫过渡可能应归于来自脉冲 过渡模式和/或恒压过渡模式的脉冲电流和/或电压，在所述模式中电流是受控的。图10示 出了电极44的期望的图案在两个工件14a和工件14b之间的接头58上方的切线方向204上的 径向部分202。虽然期望的图案的径向部分202在图10中示出为大致圆形图案76,但是可理 解的是，如上所述的其它期望的图案也可与来自电极端头的材料的被迫过渡同步。控制电 路28控制电极44的运动和电弧的建立，从而控制当电极44沿着行进方向206移动时施加到 工件14a、14b以及焊接熔池74的热量(例如，热量图案）。减少对接头58上方的焊接熔池74的 热量输入可减少前进焊道72中的焊接缺陷(例如，孔隙、打薄、烧穿）。具体地，减少对焊接熔 池74的前部208的热量输入可减少焊道72中的焊接缺陷。
[0062] 例如，控制电路28控制电弧以在位置I处加热电极44,这形成了在位置II处从电极 44脱离的第一球。由于第一球相对于电极44的切向运动，所述第一球可沉积在焊接熔池74 的区域211中的大约位置210处(例如，在工件14a的焊缝根部表面或者侧壁上，在焊接熔池 74的侧面上）。控制电路28控制电弧以在位置III处加热电极44,这形成了在位置IV处从电 极44脱离的第二球。类似于第一球，由于第二球相对于电极44的切向运动，所述第二球可沉 积在焊接熔池74的区域211中的大约位置212处(例如，在焊接熔池74的后部214处，在固化 中的焊道72上）。控制电路28控制电弧以在位置V处加热电极44,这形成了在位置VI处从电 极44脱离的第三球。由于第三球相对于电极44的切向运动，所述第三球可沉积在焊接熔池 74的区域211中的大约位置216处(例如，在工件14b的焊缝根部表面或者侧壁上，在焊接熔 池74的侧面上）。控制电路28可控制电弧，以使得电极44无法形成可在焊接熔池74的前部 208处沉积的球。如本文所论述，焊接熔池74的区域211离焊接熔池74的中心215可以是大约 距离213,其中距离213至少部分地基于焊接熔池74的宽度217和/或接头58的宽度219。举例 来说，距离213可比焊接熔池74的宽度217小大约2、3、4或者5倍，或者距离213可比接头58的 宽度219小大约2、3、4、5、6、7、8、9或者10倍。区域211可包括工件之间的接头58、焊接熔池、 工件的侧壁，或者固化中的焊道72的一部分，或者它们的任意组合。
[0063] 位置210和216可比焊接熔池74更厚。因此，控制电路28可同步电弧与电极44的运 动，从而相较于施加到焊接熔池74的热量，施加更多的热量到位置210和216处的工件。在一 些实施例中，运动控制组件62供应信号到控制电路28,所述信号对应于电极44相对于接头 的位置。控制电路28可利用所述位置信号来同步施加至工件的热量和/或同步到焊接熔池 74的材料的过渡。同步材料的过渡与电极位置使得焊接系统能够增大装配间隙公差窗口 (fit-up gap tolerance window)以通过电极材料的受控的施加形成接头。在一些实施例 中，控制电路28控制电弧以在位置210和216处比在焊接熔池74的后部214处的212处或者焊 接熔池74的前部208处沉积更多来自电极44的球。如可理解的，焊接熔池74的前部208可比 焊接熔池74的后部214更薄。控制电路28可控制电弧以在焊接熔池74的后部214、侧面(例 如，位置210和216)或者中部处比在焊接熔池74的前部208处沉积更多来自电极44的球。 [0064]图11是当电极44沿着在图10中示出的期望的图案的径向部分202移动时施加到电 极44的电流波形222的曲线图220。可根据脉冲工艺或者恒压工艺来控制电流波形222。当电 极44在位置I、III和V处时电流波形222相对较高，在这些位置处，控制电路28控制电弧以在 电极44上形成球。当电极44在所述球从电极44脱离时所位于的位置II、IV和VI处时，电流波 形222相对较低。如可理解的，位置II、IV和VI处的此电流波形的下降可减少在那些位置处 的对电极44和/或工件14a、14b的加热，并且可减少来自焊接熔池74的溅出物。在一些实施 例中，电流波形222和/或电流波形222的极性具有至少部分地基于电极44的运动的图案。举 例来说，电极44在位置1、11和III处可具有正极性以用于工件氧化物的阴极清理，并且电极 44在位置IV、V和VI处可具有负极性以增大对电极44的加热，并且从而增大电极44的熔融速 率。在一些实施例中，电流波形222的周期224可与电极44的径向运动(例如，振荡）的速率相 关。举例来说，电流波形222的周期224(秒)可与电极44的径向运动速率(Hz)大致成反比。应 理解的是，在某些实施例中，电流波形222也可以是电极44的轴向运动的函数，如本文所描 述的。
[0065]在一些实施例中，期望的图案包括轴向部分，在所述轴向部分中电极44相对于焊 炬的轴线轴向地移动。举例来说，如图3所示，在某些实施例中，运动控制组件62可配置成使 接触元件60沿着轴线57轴向地平移，以使得电极44更接近或更远离焊接接头58,从而使得 除了在大致垂直于轴线57的平面中发生的运动的径向部分之外，还能够进行运动的轴向部 分(例如，平行于轴线57)。如此，电极44相对于焊接接头58的运动本质上可以是三维的。换 句话说，除了在大致垂直于轴线57的平面中形成编织图案的能力以外，运动控制组件62还 可具有相对于焊接接头58轴向地移动电极44以形成三维运动图案的能力，并且如本文所描 述的，这些三维运动图案可伴随有在沿着三维运动图案的不同点处的某些焊接参数(例如， 电流、电压、热量输入、极性、送丝速度等等）的修改。应理解的是，所述三维图案包括经由协 调电极44的轴向和径向运动而产生的弯曲和/或扭曲。此外，除了（或者作为其替代)使得能 够经由接触元件60的平移来使电极44平移之外，在某些实施例中，受控短路(CSC)过渡工艺 可被用于向前和向后移动焊丝以用于使轴向运动与径向运动同步，从而促进运动的三维图 案的形成。
[0066]图12示出了工件14a、14b之间的接头58和期望的图案160的实施例的横截面图。焊 炬在行进方向162上移动电极44,所述行进方向可被理解为离开图12的横截平面。期望的图 案160包括径向部分并且可包括轴向部分。在一些实施例中，控制电路28经由运动控制组件 62来控制轴向部分。另外，或者作为替代，控制电路28可以经由控制焊炬24的运动，例如经 由焊接机器人或者机械化的焊炬操纵器来控制轴向部分。期望的图案160的径向部分包括 在垂直于焊炬的轴线57的平面中，电极44在第一径向位置162和第二径向位置164之间的径 向运动。期望的图案的轴向部分包括电极44轴向于(例如，平行于)在第一轴向位置166和第 二轴向位置168之间的轴线57的运动。在一些实施例中，轴向部分与径向部分同步，以使得 电极44能够大体上追踪接头58的几何形状。举例来说，期望的图案的轴向部分可使电极从 工件14a偏移第一距离170并且从工件14b偏移第二距离172,其中第一距离170不一定等于 第二距离172。在一些实施例中，第一距离170和/或第二距离172可相对于接头58的中心变 化。
[0067]控制电路28可以控制电极的期望的图案的轴向部分。电极44以轴向运动速率移动 通过轴向部分。在一些实施例中，控制电路使轴向运动速率与径向运动速率同步，以使得电 极每通过径向部分的1、2、3、4、5或者更多次循环时通过轴向部分大约一次循环。举例来说， 期望的图案可包括螺旋图案，在所述螺旋图案中对于每一次轴向部分循环而言电极完成超 过一次的径向部分循环。在一些实施例中，控制电路28可调节电极44在移动焊接电极的循 环期间的运动速率(例如，径向运动速率和/或轴向运动速率）。举例来说，控制电路28可以 以第一运动速率移动电极和/或使电极在工件14a上方停歇，而控制电路28可以以不同的第 二运动速率在工件14b上方移动电极。
[0068]在一些实施例中，轴向部分是基于工件材料和/或工件的厚度。举例来说，一些材 料可具有相较于其它材料的更高的熔融温度，这影响了添加到工件的以使